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            双馈风电机组高电压穿越技术

            发布时间: 2017-04-20 18:07:05   作者:无   来源:

             0 引言
                   随着风电场规模和风力发电容量的不断扩大,风电在电网中所占的比例越来越高。当电网出现故障,如果风电机组与电网解列,无法提供常规能源在电网故障情况下对电网的电压与频率支撑,则可能引起严重的连锁反应,影响电网的稳定运行。近年来,国内多次大量风电机组脱网事故以及国外相关研究表明,在风电场电网低电压故障的故障恢复阶段,由于风电机组无功补偿没有及时退出,可能引起并网接入高压线路的过电压,从而引起电网先低电压后高电压的连锁故障。另外,直流输电线路中换流器闭锁或系统干扰,换流桥无功消耗大幅下降时,而无功补偿设备没有及时切出,也会引起供电线路高电压。

              目前,国内风电场接入电网准则要求风电场必须具有低电压穿越能力,但是对高电压穿越(HVRT)的技术指标还没有明确的规定。为了提高电力系统运行稳定性和安全性,风电场的高电压穿越能力将逐步成为必然要求。因此,开展风电机组高电压穿越能力的研究与实现对完善国内并网规则具有十分重要的意义。
              本研究将开展双馈风电机组在电网电压骤升故障下的技术研究及现场测试工作。
             
            1 国内外高电压穿越技术要求与规范
              为了提高电力系统运行安全性,各国逐渐开始关注风电机组的高电压穿越问题,将风电机组的低电压穿越和高电压穿越合并为故障穿越(FRT)。主流的电网运营商包括澳大利亚AEMC、美国WECC 与德国E.ON 等,根据各自电网的结构特点,在故障穿越等方面都有详细的标准规范和技术要求,对风电场的低/高电压穿越边界做出了明确的规定。澳大利亚率先制定了真正意义上并网风力发电机组的高电压穿越准则,如图1 所示。
              从图1中可知,其要求风电机组在高压侧电网电压升高至130%额定电压时能够保证不脱网连续运行60 ms的能力,并提供足够大的故障恢复电流。这一准则明确要求风力发电机组具有高电压穿越能力。美国WECC 则要求电压为1.2 pu 时风电场具有1 s 的高电压穿越能力。德国E.ON 的风电并网准则中,对高电压下双馈风电机组并网运行,要求在电网电压升至1.2 pu 情况时双馈风电机组能够保持长期不脱网运行,并要求高电压情况下风机需要吸收一定量的无功功率,体现了高电压下的无功补偿控制要求。
             
            图1 澳大利亚高电压穿越要求
             
              在国内,由中国电科院负责起草的《风电机组高电压穿越能力测试规程》(初稿)对风电机组高电压穿越提出了基本要求,如图2 所示。
             
            图2 风电机组高电压穿越要求
             
              从图2 中可知,当风电场并网点电压且持续时间在图中电压轮廓线及以下的区域内时,风电场内机组必须保证不脱网连续运行;并网点电压且持续时间在图中电压轮廓线以上时,场内风电机组运行脱网。基本的要求如下:
              (1)风电机组具有在测试点电压升高至130% 额定电压时能够保证不脱网连续运行200 ms 的能力;
              (2)风电机组具有在测试点电压升高至125% 额定电压时能够保证不脱网连续运行1 000 ms 的能力;
              (3)风电机组具有在测试点电压升高至120% 额定电压时能够保证不脱网连续运行2 000 ms 的能力;
              (4)风电机组具有在测试点电压升高至115% 额定电压时能够保证不脱网连续运行10 s 的能力;
              (5)风电机组具有在测试点电压升高至110% 额定电压时能够保证不脱网连续运行的能力。
             
            2 双馈风电机组高电压穿越仿真研究
              以WD100-2000 型双馈风电机组为例,笔者在Matlab /Simulink 环境下,搭建出该机组的整机仿真模型,并研究在电网电压骤升故障下,双馈风电机组的动态特性。该机组主要参数如下:额定功率2 000 kW,额定风速10.5 m/s,风轮直径100 m,发电机额定转速1 200 r/min,额定电压690 V。电机参数(归算到定子侧)如下:定子电阻0.001 67 Ω,定子电抗0.016 Ω,转子电阻0.003 9 Ω,转子电抗0.054 6 Ω,励磁电抗0.782 9 Ω,转子开口电压1 763 V,极对数为3。假定在第0.6 s 时刻机组已经进入额定运行状态,在第0.8 s 时刻电网高压侧(35 kV)分别出现大风工况下对称130% 电压异常骤升、小风工况下对称130%电压异常骤升故障,故障持续0.7 s 后消除,在第1.5 s 时刻电网电压恢复正常,风电机组并网点相电压、并网点电流、有功功率与无功功率,直流母线电压的动态变化过程如图3、图4 所示。
             
            图3 大风工况,对称130%骤升仿真结果
             
            图4 小风工况,对称130%骤升仿真结果
             从图3、图4 可知:
              (1)当电网高压侧(35 kV) 电压骤升到130% 时,风电机组出口低压侧电压也迅速抬升到130%;
              (2)当检测到电网电压出现异常骤升,风电机组以无功优先的原则迅速响应,提供一定量的感性无功功率以支撑电网电压的恢复;
              (3)在电网电压出现异常骤升的整个故障过程中,风电机组依旧保证有功功率的输出,并在电网故障消除后,其有功出力快速恢复。在大风工况下电网故障过程中,由于机组优先保证无功,其有功功率较故障前会有所减小;
              (4)在电网电压故障期间,本研究使用特殊的控制策略以拉低直流母线电压以防止母线过压。
             
            3 双馈风电机组高电压穿越现场测试
              2015 年8~10 月,在张北WD100-2000 型机组上进行了高电压穿越现场测试。张北风场WD100-2000型机组进行现场高电压穿越测试的照片如图5 所示。
             
            图5 现场测试照片
              利用阻容分压原理在测试点产生电压升高的发生装置如图6 所示。对于通过35 kV 及以下电压等级变压器与电网相连的风电机组,电压升高发生装置串联接入风电机组升压变压器高压侧。
             
            图6 电压升高发生装置示意图
            X—限流阻抗,用于限制电压升高对电网及风电场内其他在运行风电机组的影响;在电压升高发生前后,限流阻抗可利用旁路开关短接; C,R—升压阻抗、升压阻尼电阻,闭合升压开关,将升压阻抗和升压阻尼电阻组成的单相支路的三相或两相连接在一起,在测试点产生要求的电压升高
             
              大风工况下对称125% 电压异常骤升故障、小风工况下对称130% 电压异常骤升故障时,风电机组并网点相电压、并网点电流、有功功率与无功功率的现场实测波形如图7、图8 所示。
             
            图7 大风工况,对称125%骤升实测结果
             
              从图7 中可得,在大风工况下,机组在额定状态下运行,电网电压突然发生125%骤升故障,故障持续1 s后电网电压恢复正常。在电网电压骤升后,风电机组迅速响应向电网提供无功功率,并进入高穿状态,动态无功响应时间小于75 ms。在高穿期间,机组向电网提供持续稳定的感性无功功率支持以拉低电网电压,由于无功支撑作用电网电压拉低到1.14 倍,同时,机组有功功率能够正常输出,但是比高穿前有所减小,体现了机组在高穿期间优先保证无功的原则。电网电压恢复后,风电机组经过调整并撤除无功支持,有功功率输出迅速恢复正常。机组在整个高穿期间,无故障运行,顺利通过该工况高穿测试。
             
            图8 小风工况,对称130%骤升实测结果
             
              从图8 中可得,机组处于小风工况发电运行状态下,电网电压突然发生130% 骤升故障,故障持续1 s后电网电压恢复正常。在电网电压骤升后,风电机组迅速响应并向电网提供持续稳定的感性无功功率,并进入高穿状态,动态无功响应时间小于75 ms。在高穿期间,电网电压由于无功支撑作用拉低为1.15 倍,机组有功功率正常输出,但是比高穿前有所减小,因为机组在高穿期间优先保证无功。电网电压恢复后,风电机组经过调整并撤除无功支持,有功功率输出迅速恢复正常。在整个高穿期间,机组无故障运行,顺利通过该工况高穿测试。
              以上工况是电网电压从额定电压开始骤升的高穿测试,除此之外,本研究还进行了先低穿后高穿的连锁故障测试。大风工况下先对称20%跌落后130%骤升故障实测波形如图9 所示。
             
            图9 大风工况,先对称20%跌落后130%骤升实测结果
             
              从图9 可得,在大风工况下,机组在额定状态下运行,电网电压先出现20% 跌落故障,持续625 ms 后迅速骤升到130%,持续100 ms 后电网电压恢复正常,机组快速进入低穿状态并进行容性无功支撑,当低穿结束后电网电压又迅速升高,机组又切换进入高穿状态以进行感性无功支撑。机组从低穿到高穿切换时间短,在整个电网电压先低后高故障过程中,机组稳定运行未报故障,顺利通过该工况测试。以上测试结果表明,机组不仅通过了从额定电压开始骤升的高穿测试,而且还顺利通过了先低穿后高穿的连锁故障穿越测试,已经完全具备高穿功能。
             
            4 结束语
              国内风电场接入电网准则要求风电场必须具有低电压穿越能力,但是对高电压穿越的技术指标还没有明确的规定。本研究分析了电网电压骤升故障会对双馈风电机组产生的危害,同时以WD100-2000 型双馈风电机组为例,在Matlab /Simulink 环境下对电网电压骤升故障下双馈风电机组的动态特性进行了仿真研究。仿真结果与现场测试结果都表明,机组顺利通过所有工况的高电压穿越测试,已经完全具备高电压穿越功能,对风电机组高电压穿越技术的研究及完善国内并网规则具有十分重要的意义。